Nature子刊：北华航天工业学院利用COMSOL研究在射频等离子体推进器中施加静磁场对电离的增强作用

标题：Ionization enhancement in radio frequency plasma thrusters with applied static magnetic fields

单位：北华航天工业学院

期刊：《scientific reports》

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研究目的：减少射频等离子体推进器（RFPT）的壁面损耗，提高电离效率。

研究方法：在推进器结构中引入了永磁体，施加轴向静磁场。在COMSOL建立多物理场耦合模型，结合等离子体、电磁场、层流和传热模块，系统研究磁约束下的电离增强机理。

结果：输入功率为100 W，电子密度比无磁场时增加约23.8倍；50-1000 W间线性增长，最大可达13.7倍。证实了静磁场对等离子体行为的显著调控作用。

背景

RFPT通过射频电磁场激发推进剂气体产生等离子体，通过电磁机制加速等离子体产生推力，广泛应用于姿态控制、轨道转移和深空导航等领域。

RFPT在实际运行中存在电离速率低、电磁耦合效率不足等问题，制约了其性能。

磁场辅助技术能够提高能量吸收效率和电子密度，抑制壁损耗，优化等离子体分布，增强放电稳定性，于推进RFPT技术的实际应用具有重要意义。

几何构建

推进器排放室采用二维轴对称模型，放电室内半径16mm，轴向长度350mm。

放电室中部放置方位模数m=0的多匝线圈，线圈间距为20mm。

施加五个N54永磁体，与四个软铁片交替排列。

永磁体残余磁通密度为 1.47 T，定义各种成分的材料属性。

物理场设置

研究涉及流体物理建模、等离子体行为模拟、电磁场耦合机制和能量沉积计算。

流体模块：

本研究模拟的排放压力为0.05 Torr（约6.67 Pa），中性气体（氩气）的流体动力学由层流Navier-Stokes方程描述。

入口设置为质量流边界条件，定义为

壁面边界条件为无滑移出口设置为压力边界条件。背景气体温度设置为300 K。

等离子体模块：

等离子体模块计算时域内的电子碰撞反应和重物质反应，获得等离子体特征参数的分布。

等离子体的化学反应主要包括激发、电离和复合等关键过程。

等离子体中电子数密度的变化遵循基本连续性方程

电磁场模块：

等离子体的电流响应由广义欧姆定律描述

在时间谐波场近似下，电场与磁矢量势之间的关系可以简化

网格划分

考虑高频电流的集肤效应，天线采用映射网格分布，确保边界网格比中间网格更密集。

排放室边界设置流体性能边界层网格，由5层组成，拉伸系数为1.5，厚度调整系数为1。

使用三角形网格处理等离子体等区域。

使用三种网格进行敏感性分析。

计算 100 W、500 W 和 1000 W 射频输入功率下放电室几何中心的电子密度变化，相对误差均在5%以下。

结果

模拟条件设置为射频频率13.56 MHz，射频输入功率100 W，气体压力0.05 Torr，推进剂流量为5sccm。

在无永磁约束条件下，最大电子密度为6.64×10¹¹/cm³，电子温度为 3.48 eV。

在永磁约束下，最大电子密度为1.58×10¹³/cm³，电子温度为1.95 eV。

磁约束情况下的电子密度高出23.8倍，电子温度低1.5 eV。

 

射频输入功率范围调整为50-1000 W，电子密度随功率近似线性增加。

在永磁约束下电子密度增加了约13.7倍，无磁约束的情况下增加了约11.51倍。

两种条件下电子温度都增加了约6%。表明输入能量主要用于驱动电离过程，而不是增强电子的热运动。

结果表明引入磁约束可以有效提高电子密度和电离效率，而无需额外功耗。